礦用通風機遠程監控系統的工程應用研究

高海江

（山西焦煤汾西礦業正幫煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

引言

煤炭掘進工作基本全部在井下完成，因井下作業環境極為惡劣，存在有毒有害氣體、易燃易爆的瓦斯等，不及時進行通風換氣，不僅會危及井下作業人員的生命安全，嚴重的還會引起爆炸等安全事故，必須引起高度重視[1-3]。礦井通風系統作為煤礦安全生產的重要保障，能夠及時排除井下有害氣體，為井下作業人員輸送新鮮空氣[4]。通風機作為礦井通風系統的重要組成部分，其工作的可靠性至關重要[5]。隨著科技的發展，自動化監測系統在各個領域的應用越來越廣泛，也為礦井通風機監測系統的設計提供了參考[6]。因此，針對某煤炭企業現有通風機缺乏監控系統的現狀，開展基于PLC技術的監測系統設計研究，對于提高通風機運行的可靠性和安全性具有重要意義。

1 系統功能要求

根據煤炭企業通風機運行現狀及其對監測系統的要求，明確了礦井通風機監測系統設計的功能要求，主要內容如下：

1）監測系統能夠實時監測通風機驅動電機的運行參數，包括電壓、電流等。

2）能夠實時采集煤礦井下作業環境中的風壓等參數數據。

3）通風機啟動時具有軟啟動功能，同時，連續運行過程中能夠依據實時采集得到的巷道風量參數實時調整電機的頻率和風速，完成驅動電機的轉速調整。

4）實時顯示變頻器工作狀態、正反轉及啟停情況。

5）監測系統具備故障報警功能，尤其是變頻器和風機故障時，必須能夠發出報警信號。

6）實時顯示礦井通風機風量、風壓、風機轉向、轉速、功率因數等參數數據。

2 總體方案設計

根據礦井通風機監測系統功能要求完成了以PLC為控制核心部件的監控系統總體方案設計，如圖1所示。由圖1可以看出，系統中PLC負責接收通風機監測數據的處理，通過上位機將處理之后的數據進行實時顯示。系統中的壓力傳感器用于監測風機管道中的實時風壓數值，驅動電機電壓和電流的監測分別設置了電壓傳感器和電流傳感器，經過PLC的A/D擴展模塊轉換成PLC可以處理的數字量。系統通過采集光電編碼盤的脈沖信號可以計算得出風機實時的轉速，實現礦井通風機驅動電機轉速的實時監測與控制功能。

圖1 監測系統總體方案

3 監測系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件電路

基于礦井通風機監測系統方案完成了監控系統的硬件電路設計，如下頁圖2所示，主要包括主電路和控制電路兩部分。主電路部分包括驅動風機運轉的2臺電動機，標識分別為M1和M2，熔斷器FU1、隔離開關QS1、2個熱繼電器FR1和FR2、2個交流接觸器KM1和KM2、還有2個MM3117型變頻器等。控制電路包括兩個電源隔離開關QS1和QS2、兩個指示燈H1和H2、兩個報警鈴B1和B2。變頻器上電控制由QS1負責，配置熔斷器FU1工作。PLC供電由QS2通斷24 V電源實現，配置熔斷器FU2工作。兩個接觸器KM1和KM2分別用于控制驅動電機1和驅動電機2的通斷。變頻器故障報警和指示燈由H1和B1負責，風機故障報警和指示由H2和B2負責。

圖2 硬件電路圖

3.1.2 PLC選型

根據通風機監測系統的需要，選擇了西門子旗下型號為S7-200的PLC，其CPU為226的PLC，該型號PLC內部自帶2個RS485通信接口，分別標識為0和1，同時具有高速計數模塊、PID模塊等。編程時，若采用端口0或1的情況下，該端口就不能同時用作網絡通信口使用了。為了能夠使PLC實時采集礦井通風機風壓和風機電壓、電流等，PLC外擴了一個EM235的模擬量模塊，由此壓力傳感器T2采集得到輸出的4～20 mA信號就能夠直接接入模擬量擴展模塊的輸入端。

3.1.3 變頻器選型

根據通風機監測系統采集驅動電機的原理和要求，選擇的是型號為MM3117的變頻器，調速的方法利用的是U/F控制方式，能夠達到平滑調速、節能省電的效果。因為監測系統使用的是串口通信方式，使用變頻器時僅需要完成變頻器的串口接線，大大降低了變頻器接線難度。變頻器與PLC之間也采用串口相連，將PLC通信端口0連接變頻器的RS485接口，由陽極9針D型插頭將二者接通。PLC控制器與變頻器之間的通信采用USS協議實現。

3.1.4 其他硬件選型

礦井通風機監測系統中的傳感器涉及監測風壓大小的壓力傳感器T1、監測風機電壓、電流實時數據的電壓傳感器T2和電流傳感器T3。根據通風機監測系統要求，選擇了CYBZI系列中量程為0～3 kPa的壓力傳感器，選擇了型號為CHV-25P的電壓傳感器，選擇了型號為CHB-25NP的電流傳感器。光電編碼盤選擇來自OMRON公司生產的5線制光電編碼盤，分別為A相、B相、Z相、5/24 V、0 V（COM），分辨率高達600 P/r。光電編碼盤使用時其輸出端A、B、Z與PLC輸入端相連，24 V電源和接地端分別與PLC的24 V電源和GND端相連。

3.2 軟件設計

3.2.1 主程序

監測系統的主程序完成PLC與變頻器通信、風機手動和自動變頻運行、子程序調用和風機故障報警等工作，主程序工作流程如圖3所示。程序啟動之后先進行PLC和變頻器通信參數的初始化并激活變頻器，之后依次調用參數初始化子程序和模擬量模塊檢查子程序，完成風機轉速、功率因數、風機風壓等參數寄存器地址的初始化，確定EM235模塊連接是否正常，不正常則程序停止運行，若連接正常，固頻啟動驅動電機和調用子程序，監測風機電壓、電流等參數數值。判斷變頻器是否故障、風量是否超限等，沒有問題之后可以控制電機的啟停和轉向等，讀取變頻器數據并進行電機變頻調速控制。

圖3 監測系統主程序工作流程

3.2.2人機交互界面

人機交互界面主要用于生產控制通風機，通過人機交換數據，實現風機狀態的實時監測和遠程控制，在工程瀏覽器目錄中選擇畫面新建，將新建的畫面名稱編輯為監控系統主界面，之后設置主界面的大小和顏色等，設置完成即可點擊確定鍵完成主界面的建立。在主界面中使用工具箱內部圖庫完成風機系統界面設計，設計完成的主界面如圖4所示。由圖4看出通風機監測系統主界面中包括了“下拉菜單”“監控數據顯示面板”“風機運行控制面板”“轉速整定面板”“報警指示燈面板”和“變頻器參數控制區”六部分，實現了礦井通風機運行狀態參數的實時監測與遠程控制。

4 工程應用效果

為了驗證通風機監測系統設計的合理性和可行性，將其應用于該煤礦服役中的通風機中進行工程應用，跟蹤記錄應用效果情況，結果表明，監測系統運行穩定可靠，實現了通風機運行參數的實時監測和遠程控制功能。統計結果顯示，相較于沒有監測系統之前，增加監測系統的礦井通風機具有故障報警功能，降低了近16%的故障排查時間，進而節約了2～3名設備保全人員，能夠實時監測通風機運行參數，確保了井下作業人員的安全，提高了通風機有效工作時間，預計能夠為煤炭企業產生經濟效益近40萬元/年，取得了很好的應用效果。

圖4 人機交互主界面